可編程邏輯控制器 （PLC） 是一種工業(yè)計(jì)算系統(tǒng)。它控制裝配線和其他需要高度可靠的控制方法和故障診斷的工廠自動(dòng)化設(shè)備的制造過(guò)程。PLC系統(tǒng)包括模擬和數(shù)字輸入和輸出模塊、通信模塊、中央處理單元（CPU）模塊、控制模塊和電源。PLC 在惡劣、惡劣的制造環(huán)境中運(yùn)行，在設(shè)計(jì)非隔離負(fù)載點(diǎn)電源解決方案時(shí)需要特別注意。設(shè)計(jì)人員必須考慮負(fù)載點(diǎn)總線架構(gòu)、線路電壓瞬變、熱限制、隔離噪聲問(wèn)題、尺寸限制和處理器電壓精度問(wèn)題。

負(fù)載點(diǎn)架構(gòu)注意事項(xiàng)

PLC 受益于 DC/DC 負(fù)載點(diǎn)電源解決方案，該解決方案支持先進(jìn)的模擬和數(shù)字集成電路的需求，提供高效率和良好的熱性能，并減少整體組件數(shù)量和成本。負(fù)載點(diǎn)策略可能會(huì)有所不同，但 PLC 通常具有來(lái)自電源的 24V DC（或偶爾為 12V DC ）輸入。線路電壓容易受到源自電機(jī)或繼電器的輸入電壓瞬變的影響，但是，會(huì)導(dǎo)致可能損壞系統(tǒng)的過(guò)高電壓尖峰。

在幾乎所有情況下，5V 和 3.3V 電源軌都用作 24V 或 12V 電源的次級(jí)穩(wěn)壓電源軌，為低壓子系統(tǒng)供電。在高于 1MHz 的頻率下切換時(shí)，很難用 24V 輸入調(diào)節(jié) 1V 電源軌，但仍要保持較小的外形尺寸。如公式 1 所示，要從 24V 輸入（占空比為 4.2%）調(diào)節(jié) 1V，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的最小可控導(dǎo)通時(shí)間在 1MHz 切換時(shí)必須低于 40ns，以避免嘈雜的脈沖跳躍。

最小可控導(dǎo)通時(shí)間= 占空比 / 開(kāi)關(guān)頻率 （1）

線路電壓瞬變

線路電壓瞬變可能來(lái)自系統(tǒng)中的電機(jī)和繼電器，并導(dǎo)致輸入電壓線路上出現(xiàn)過(guò)大的電壓尖峰。由于 PLC 用于可能具有電機(jī)或其他感應(yīng)負(fù)載和回路的工廠車(chē)間，因此它們?nèi)菀资艿骄€路瞬態(tài)尖峰的影響。圖 1 顯示了一個(gè)線路電壓瞬變示例，該瞬變持續(xù)時(shí)間可能很短，但在沒(méi)有適當(dāng)保護(hù)的情況下會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞 PLC 內(nèi)部的電路。

保護(hù)或鉗位電路（如圖 2 所示）可以保護(hù)負(fù)載免受電壓尖峰的影響。二極管 D2 設(shè)置鉗位電壓，通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （FET） 使電流能夠流向受保護(hù)的負(fù)載。不幸的是，這些電路占用空間并需要額外的組件。實(shí)施電子熔斷器（例如TPS2660系列）還提供高達(dá) 60V 的保護(hù)，并且比圖 2 中的分立電路更容易實(shí)施。電子熔斷器還可以提供輸入反向電壓保護(hù)，而 DC/DC 轉(zhuǎn)換器通常不提供。具有集成 FET 的非隔離式同步降壓轉(zhuǎn)換器可提供高達(dá) 100V 的額定電壓，以保護(hù)下游電路。

熱限制和功率預(yù)算

PLC 通常封閉在機(jī)柜中，其中氣流受限或不可用。在許多情況下，由于存在灰塵、腐蝕性元素或其他材料限制，無(wú)法使用冷卻風(fēng)扇。在過(guò)大的熱應(yīng)力下，系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性會(huì)降低。

因此，降低負(fù)載點(diǎn)電源解決方案的功耗將增加模塊的功率預(yù)算，并使 PLC 在市場(chǎng)上獨(dú)樹(shù)一幟。額外的可用功率還可以實(shí)現(xiàn)更快的微處理器時(shí)鐘速度、更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和額外的內(nèi)存，以提高性能以對(duì)抗競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

以峰值效率運(yùn)行 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是將 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功率金屬氧化物半導(dǎo)體 FET （MOSFET） 的傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗降至最低的絕佳方法。表 1 顯示了與使用 WEBENCH Power Designer 的 0.5A 轉(zhuǎn)換器相比，2A 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的效率降低到 0.5A。顯然，0.5A 轉(zhuǎn)換器的 MOSFET 越小，封裝尺寸就越小，頻率越高，就可以使用更小的無(wú)源元件來(lái)實(shí)現(xiàn)更小的解決方案尺寸。但是，當(dāng)使用 0.5A 電流時(shí)，2A 轉(zhuǎn)換器可節(jié)省 140mW 的能量，從而在氣流受限或功率預(yù)算受限的應(yīng)用中最大限度地提高效率并改善熱性能。

表一：5V輸入、1.8V輸出、0.5A比較

圖 3 顯示了如何進(jìn)一步優(yōu)化 2A 轉(zhuǎn)換器的效率。在曲線拐點(diǎn)處，峰值效率約為 93%，約為 0.5A，這代表了開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗之間的最佳點(diǎn)。

隔離以提高電噪聲抗擾度

PLC 使用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，例如 RS-485，但也可以使用其他通信協(xié)議，例如 Profibus、Profinet 或以太網(wǎng)。由于多種非標(biāo)準(zhǔn)化接地技術(shù)，遠(yuǎn)程電源可能會(huì)遇到較大的接地電位差異，這會(huì)導(dǎo)致多個(gè)接地路徑和回路。接地回路電流可能非常高，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)低阻抗接線連接不同的接地電位。

通過(guò)電流隔離斷開(kāi)接地回路不僅可以防止回路電流，而且是解決高接地電位差的最可靠方法。電隔離允許從輸入側(cè)以地為參考的輸入獨(dú)立于輸出側(cè)的地，從而顯著增強(qiáng)共模抑制并改善噪聲性能。在電路板上有一個(gè)與潛在噪聲接地“隔離”的區(qū)域很重要，最流行的技術(shù)是通過(guò)隔離柵實(shí)現(xiàn) 5V 輸入到 5V 輸出。

有幾種方法可以使用變壓器創(chuàng)建隔離屏障。圖 4 所示的推挽式變壓器驅(qū)動(dòng)器以 50% 的占空比工作，因此必須相應(yīng)地設(shè)計(jì)變壓器線圈以適應(yīng)特定的輸入和輸出電壓。推挽電路也是開(kāi)環(huán)運(yùn)行，因此沒(méi)有反饋機(jī)制。在某些情況下，次級(jí)側(cè)的線性穩(wěn)壓器將提供更好的輸出電壓調(diào)節(jié)。

圖 5 所示的反激式穩(wěn)壓器也稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)半橋，具有與標(biāo)準(zhǔn)降壓穩(wěn)壓器相同的傳遞函數(shù)，但使用類(lèi)似于反激式轉(zhuǎn)換器的變壓器。降壓穩(wěn)壓器的電感電容使用 C1 作為輸出大容量電容和隔離變壓器的初級(jí)側(cè) T1。輸出電壓反射到次級(jí)側(cè)，由變壓器的匝數(shù)比得出。R1 和 R2 設(shè)置半橋的占空比，從而可以更靈活地選擇現(xiàn)成的變壓器匝數(shù)比以適應(yīng)輸入和輸出電壓。

Fly-buck 的頻率可通過(guò) RT 引腳進(jìn)行調(diào)節(jié)，并可同步到寬范圍的開(kāi)關(guān)頻率。fly-buck 被限制在 2W 左右，因?yàn)榱鹘?jīng)次級(jí)側(cè)二極管的高電流會(huì)因損耗而限制調(diào)節(jié)。兩種拓?fù)涠疾恍枰?a href="http://m.makelele.cn/yuanqijian/guangou/" target="_blank">光耦合器。fly-buck 集成了初級(jí)側(cè)反饋，以實(shí)現(xiàn)磁性的靈活性。對(duì)于更高的效率、更大的輸出電流和更好的調(diào)節(jié)精度，飛降壓轉(zhuǎn)換器是比圖 4 中所示的推挽式變壓器驅(qū)動(dòng)器更好的替代方案。

電壓調(diào)節(jié)精度

隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 （FPGA）、微控制器和專(zhuān)用集成電路 （ASIC） 需要更嚴(yán)格的電壓精度和更低的核心軌工作電壓。處理器的數(shù)據(jù)表可以將電壓容差指定為百分比或毫伏值，其中包括整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的直流、交流和紋波變化。設(shè)計(jì)人員還必須考慮 DC/DC 轉(zhuǎn)換器使用的電阻分壓器的容差；電路板的布線和走線損耗；和應(yīng)用的變化，如輸入電壓變化、溫度波動(dòng)和快速負(fù)載變化。這些因素都有助于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的精度。許多設(shè)計(jì)人員都希望留有余量或余量，以確保解決方案始終在處理器的公差預(yù)期范圍內(nèi)。新的高級(jí)處理器在所有條件下都需要 +/- 3% 的內(nèi)核電壓容差，這要求 DC/DC 轉(zhuǎn)換器具有非常準(zhǔn)確的參考電壓。

在數(shù)據(jù)表中檢查 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的初始反饋電壓精度很重要。表 2 顯示了 TPS54218 的穩(wěn)壓反饋電壓規(guī)范，它是一款 2A 轉(zhuǎn)換器，在輸入電壓和溫度變化范圍內(nèi)具有 ±8mV 或 ±1% 的參考精度。選擇更緊容差的電阻器可提高總輸出電壓精度。要獲得更多余量，請(qǐng)選擇 0.1% 或 0.5% 的電阻器 ［1］，即使它們的成本可能會(huì)高一些。有了額外的裕量，就有可能以更少的體積和旁路電容滿足 ±3% 或 ±5% 的總輸出電壓變化。

表 2：TPS54218 數(shù)據(jù)表中所示的反饋電壓調(diào)節(jié)

將 DC/DC 轉(zhuǎn)換器放置在盡可能靠近負(fù)載的位置。布局限制、連接器和電路板密度要求會(huì)影響負(fù)載的電壓精度。具有遠(yuǎn)程感應(yīng)功能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以幫助補(bǔ)償從 DC/DC 轉(zhuǎn)換器到負(fù)載的大電壓降。

解決方案大小

為了保持整個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案的體積小，可以集成或優(yōu)化任何外部組件。非隔離式電源模塊因其高集成度和易用性以及優(yōu)化電感器以占用更少空間的能力而變得越來(lái)越流行。與分立解決方案相比，電源模塊通常旨在實(shí)現(xiàn)更小的總解決方案尺寸。當(dāng)節(jié)省電路板空間比整體系統(tǒng)效率更重要時(shí)，具有高開(kāi)關(guān)頻率的電源模塊可能是比分立解決方案更好的選擇。

表 3 比較了分立式和模塊式負(fù)載點(diǎn)解決方案，使用 WEBENCH Power Designer 計(jì)算相同操作條件下的解決方案尺寸和成本。功率模塊占用的電路板面積不到分立解決方案的一半，但僅增加了總解決方案成本的 25% 左右，在這種情況下為 0.45 美元。證明使用模塊的合理性取決于節(jié)省空間的重要性，甚至在較低的產(chǎn)量下可能是經(jīng)濟(jì)的。

表 3：離散與模塊解決方案比較

概括

PLC 在惡劣、惡劣的制造環(huán)境中運(yùn)行，在設(shè)計(jì)負(fù)載點(diǎn)電源解決方案時(shí)需要特別注意。在創(chuàng)建高性能和可靠的產(chǎn)品時(shí)，諸如線路電壓瞬變、接地回路電流、熱預(yù)算和為處理器供電等挑戰(zhàn)很容易解決。

審核編輯：郭婷